एक उच्च शक्ति वाला लेज़र डायोड, जिस प्रकार एक कटिंग लेज़र या एक चिकित्सा उपकरण को पंप करता है, सूक्ष्म चिप क्षेत्र से अविश्वसनीय मात्रा में गर्मी उत्पन्न करता है। इस तीव्र, केंद्रित गर्मी को तेजी से और समान रूप से फैलाया जाना चाहिए, अन्यथा चिप एक सेकंड के एक अंश में खुद को नष्ट कर देगी। तांबा एक उत्कृष्ट ऊष्मा चालक है, लेकिन इन सबसे चरम अनुप्रयोगों के लिए, तांबा भी पर्याप्त तेज़ नहीं है। अंतिम समाधान सिंथेटिक, शुद्ध हीरे से बना एक हीट स्प्रेडर है, एक ऐसी सामग्री जो पृथ्वी पर किसी भी अन्य चीज़ की तुलना में गर्मी का बेहतर संचालन करती है।
हाई-पावर लेजर डायोड में थर्मल प्रबंधन चुनौती
एक लेज़र डायोड बहुत उच्च विद्युत धारा घनत्व के साथ संचालित होता है जो अक्सर 100 µm × 1 मिमी से छोटे सक्रिय क्षेत्र तक सीमित होता है। इस छोटे जंक्शन पर उत्पन्न अपशिष्ट ताप 1 किलोवाट/सेमी² से अधिक हो सकता है। अत्यधिक कुशल हीट स्प्रेडर के बिना, जंक्शन तापमान डिवाइस की अधिकतम रेटिंग (आमतौर पर निरंतर तरंग संचालन के लिए 50-85 डिग्री) से ऊपर बढ़ जाता है, जिससे तरंग दैर्ध्य बदलाव, पावर रोल-ऑफ और अंततः विनाशकारी ऑप्टिकल क्षति होती है।
हीट स्प्रेडर को सब-माउंट या प्लैटन (चक) के रूप में भी जाना जाता है जो लेजर डायोड को धारण करता है, उसे एक साथ दो कार्य करने चाहिए:
आंच को पार्श्व में फैलाएंसूक्ष्म गर्म स्थान से एक बड़े क्षेत्र में जहां इसे थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर या वाटर-कूल्ड कोल्ड प्लेट द्वारा हटाया जा सकता है।
विद्युत रूप से पृथकलेजर डायोड के विद्युत संपर्क ग्राउंडेड प्लेटिन से होते हैं, क्योंकि अधिकांश लेजर डायोड विद्युत चालित होते हैं।
अपनी उच्च तापीय चालकता (≈400 W/m·K) और निर्माण में आसानी के कारण तांबा लंबे समय से गर्मी फैलाने वालों के लिए बेंचमार्क सामग्री रहा है। हालाँकि, तांबा एक उत्कृष्ट विद्युत चालक है और इसलिए प्लेट के रूप में उपयोग करने पर एक अतिरिक्त इन्सुलेशन परत (उदाहरण के लिए, एक पतली सिरेमिक या ढांकता हुआ कोटिंग) की आवश्यकता होती है। यह अतिरिक्त परत थर्मल प्रतिरोध का परिचय देती है, जो तांबे के लाभ के एक हिस्से को नकार देती है।
हीट स्प्रेडर के रूप में सीवीडी डायमंड: गुण और विनिर्माण
रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) हीरा एक सब्सट्रेट पर हाइड्रोकार्बन-हाइड्रोजन प्लाज्मा से पॉलीक्रिस्टलाइन या एकल-क्रिस्टल हीरे की फिल्मों को उगाने से उत्पन्न होता है। विकास के बाद, हीरे की परत को सब्सट्रेट से एक मुक्त-खड़ी प्लेट के रूप में हटा दिया जाता है, जिसे एक चिकनी, सपाट सतह (रा <10 एनएम) पर पॉलिश किया जा सकता है और आवश्यक आयामों में काटा जा सकता है।
सीवीडी हीरे की तापीय चालकता इसकी क्रिस्टलीय गुणवत्ता पर दृढ़ता से निर्भर करती है:
पॉलीक्रिस्टलाइन सीवीडी हीरा- विशिष्ट तापीय चालकता 1000 से 1500 W/m·K तक होती है, ऑप्टिकल-ग्रेड सामग्री के लिए 1200-1300 W/m·K के आसपास मान सामान्य होते हैं। चालकता अनाज की सीमाओं और अशुद्धियों पर फोनन के बिखरने से सीमित होती है।
उच्च गुणवत्ता, समस्थानिक रूप से शुद्ध सीवीडी हीरा- कार्बन‑12 (¹²C) संवर्धन का उपयोग करके और नाइट्रोजन और बोरान अशुद्धियों को कम करके, 2000 W/m·K से अधिक तापीय चालकता प्राप्त की गई है। यह प्राकृतिक हीरे की सैद्धांतिक सीमा (कमरे के तापमान पर ≈2200 W/m·K) के करीब पहुंचता है।
तुलना के लिए, शुद्ध तांबे (एनील्ड, 99.99%) में 25 डिग्री पर लगभग 401 W/m·K की तापीय चालकता होती है। यहां तक कि सबसे कम ग्रेड का सीवीडी हीरा (≈800 W/m·K) भी तांबे से दो गुना बेहतर प्रदर्शन करता है। मानक पॉलीक्रिस्टलाइन सीवीडी हीरा (1200 W/m·K) तांबे से तीन गुना बेहतर है, जबकि आइसोटोपिक रूप से संवर्धित हीरा पांच गुना बेहतर है।
सीधी तुलना: लेजर डायोड प्लेटन के लिए सीवीडी डायमंड बनाम कॉपर हीट स्प्रेडर
सीवीडी डायमंड बनाम कॉपर हीट स्प्रेडर लेजर डायोड प्लैटनमूल्यांकन में कच्ची तापीय चालकता से परे कई प्रदर्शन मेट्रिक्स शामिल हैं। नीचे दी गई तालिका प्रमुख तुलनाओं का सारांश प्रस्तुत करती है:
| संपत्ति | तांबा (शुद्ध, एनील्ड) | पॉलीक्रिस्टलाइन सीवीडी हीरा |
|---|---|---|
| तापीय चालकता (W/m·K) 25 डिग्री पर | ≈400 | 1000–1500 (typical); >2000 (समस्थानिक रूप से शुद्ध) |
| विद्युत प्रतिरोधकता (Ω·सेमी) | ≈1.7 × 10⁻⁶ (कंडक्टर) | >10¹⁴ (इन्सुलेटर) |
| थर्मल विस्तार का गुणांक (सीटीई, पीपीएम/के) | ≈16.5 | ≈1.0–2.5 (क्रिस्टलीयता पर निर्भर करता है) |
| घनत्व (ग्राम/सेमी³) | 8.96 | 3.52 |
| यंग मापांक (जीपीए) | 110–130 | 1000–1200 |
| फ्रैक्चर क्रूरता (MPa·m¹/²) | ≈80-100 (नमनीय) | ≈3–5 (भंगुर सिरेमिक) |
| लागत (तांबे के सापेक्ष) | 1× | 100–500× |
हीरा गर्मी के लिए एक आदर्श, क्रिस्टलीय राजमार्ग है, जहां तांबा एक तेज़, लेकिन त्रुटिपूर्ण, धात्विक सड़क है।
थर्मल प्रसार प्रतिरोध
हीट स्प्रेडर के लिए योग्यता का एक प्रमुख आंकड़ा थर्मल स्प्रेडिंग प्रतिरोध है, छोटे ताप स्रोत और बड़े हीट सिंक के बीच बेमेल से प्रेरित तापमान वृद्धि। अर्ध-अनंत स्प्रेडर पर साइड लंबाई �a के एक वर्ग ताप स्रोत के लिए, प्रसार प्रतिरोध ���Rsp ��⋅�πa⋅k के व्युत्क्रमानुपाती होता है, जहां �k तापीय चालकता है। इस प्रकार, �k को दोगुना करने से प्रसार प्रतिरोध आधा हो जाता है। 1 मिमी × 0.1 मिमी लेज़र डायोड बार के लिए, एक कॉपर स्प्रेडर (k = 400 W/m·K) सीवीडी डायमंड स्प्रेडर (k = 1200 W/m·K) की तुलना में लगभग तीन गुना अधिक प्रसार प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। यह सीधे तौर पर समान शीतलन स्थितियों के तहत डायमंड स्प्रेडर के लिए कम जंक्शन तापमान - में तब्दील हो जाता है, जो अक्सर 20-40 डिग्री ठंडा होता है।
विद्युत अलगाव लाभ
Because diamond is an electrical insulator (resistivity >10¹⁴ Ω·सेमी), सीवीडी डायमंड हीट स्प्रेडर को बिना किसी अतिरिक्त ढांकता हुआ परत के सीधे लेजर डायोड के विद्युत संपर्क और धातु प्लेटिन के बीच रखा जा सकता है। इसके विपरीत, तांबे को एक अलग विद्युतरोधी परत (जैसे कि Al₂O₃, AlN, या एक पतली हीरे जैसी कोटिंग) की आवश्यकता होती है। वह परत थर्मल प्रतिरोध जोड़ती है -आम तौर पर 0.5-2 डिग्री·सेमी²/डब्ल्यू-जो कॉपर स्प्रेडर के प्रभावी प्रदर्शन को कम कर देता है। सीवीडी डायमंड स्प्रेडर एक एकल, अखंड सामग्री में गर्मी फैलाने और विद्युत अलगाव को जोड़ता है।
प्लेटिन असेंबली में एकीकरण
सीवीडी डायमंड हीट स्प्रेडर को केवल समान माउंटिंग तकनीकों का उपयोग करके तांबे के लिए प्रतिस्थापित नहीं किया जाता है। सामग्री एक कठोर, भंगुर सिरेमिक है जिसमें तांबे के 16.5 पीपीएम/के की तुलना में लगभग 1-2.5 पीपीएम/के थर्मल विस्तार (सीटीई) का बहुत कम गुणांक होता है। यदि हीरे की प्लेट को सीधे तांबे के हीटसिंक में टांका लगाया जाता है या टांका लगाया जाता है, तो बड़ा सीटीई बेमेल तापमान चक्र के दौरान उच्च तापीय तनाव उत्पन्न करता है, जो हीरे को तोड़ सकता है।
सफल एकीकरण के लिए आवश्यक है:
इंटरफ़ेसीय परतें- कतरनी तनाव को समायोजित करने के लिए एक पतली, आज्ञाकारी परत (जैसे नरम सोना-टिन (एयूएसएन) सोल्डर या ग्रेफाइट-आधारित थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री) का उपयोग किया जाता है। तनाव से राहत देते हुए थर्मल प्रतिरोध को कम करने के लिए परत की मोटाई छोटी (5-20 µm) रखी जाती है।
मिलान किए गए सीटीई हीटसिंक- वैकल्पिक रूप से, डायमंड स्प्रेडर कम CTE सामग्री जैसे कॉपर-टंगस्टन (CuW, CTE ≈ 8 पीपीएम/K) या कॉपर-मोलिब्डेनम (CuMo, CTE ≈ 7 पीपीएम/K) से बने हीटसिंक से जुड़ा होता है। इससे हीरे पर तनाव कम हो जाता है।
धातुरूप करने की क्रिया- सोल्डरिंग को सक्षम करने के लिए हीरे की सतह को धातुकृत किया जाता है (उदाहरण के लिए, Ti/Pt/Au या Ti/W/Ni/Au मल्टीलेयर के साथ)। धातुकरण को हीरे से मजबूती से चिपकना चाहिए, जो रासायनिक रूप से निष्क्रिय है। पहली परत के रूप में कार्बाइड बनाने वाली धातु (टाइटेनियम या क्रोमियम) का उपयोग किया जाता है।
जब ठीक से डिज़ाइन किया जाता है, तो सीवीडी डायमंड हीट स्प्रेडर बिना किसी गिरावट के हजारों थर्मल चक्रों तक जीवित रहता है।
व्यावहारिक अनुप्रयोग और सीमाएँ
सीवीडी डायमंड हीट स्प्रेडर्स का उपयोग इसमें किया जाता है:
उच्च शक्ति वाले लेजर डायोड बार और सरणियाँऔद्योगिक कटिंग, वेल्डिंग और सॉलिड-स्टेट लेज़रों की पंपिंग के लिए।
ऑप्टिकल संचार के लिए लेजर डायोड मॉड्यूल(दूरसंचार और डेटाकॉम) को सख्त तरंग दैर्ध्य स्थिरता की आवश्यकता होती है।
मेडिकल लेजर सिस्टम(उदाहरण के लिए, त्वचाविज्ञान, सर्जरी) जहां विश्वसनीयता और कॉम्पैक्ट पैकेजिंग महत्वपूर्ण हैं।
रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) पावर ट्रांजिस्टरऔर मोनोलिथिक माइक्रोवेव इंटीग्रेटेड सर्किट (एमएमआईसी), जहां समान थर्मल चुनौतियां मौजूद हैं।
सीवीडी हीरे की सीमाओं में शामिल हैं:
लागत- एक 10 मिमी × 10 मिमी × 0.3 मिमी सीवीडी डायमंड स्प्रेडर की कीमत सैकड़ों डॉलर होती है, जबकि उसी आकार के तांबे के टुकड़े की कीमत कुछ सेंट होती है। इसलिए, हीरा उन अनुप्रयोगों के लिए आरक्षित है जहां तांबा थर्मल आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता है।
निर्माण की जटिलता- हीरे को काटने, लैपिंग, पॉलिश करने और धातु बनाने के लिए विशेष उपकरण (लेजर कटिंग या हीरा-संसेचित पीसने वाले उपकरण) और विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है।
यांत्रिक नाजुकता- हीरे की प्लेटें भंगुर होती हैं और गलत तरीके से या अत्यधिक क्लैंपिंग बल से टूट सकती हैं।
भविष्य के विकास
उच्च जमाव दर, बड़े विकास क्षेत्रों और बेहतर उपज के माध्यम से सीवीडी हीरे की लागत को कम करने के लिए अनुसंधान जारी है। समस्थानिक रूप से शुद्ध हीरा (³⁰ C) अभी भी महंगा है और अनुसंधान तक ही सीमित है, लेकिन 1500-1800 W/m·K की चालकता वाला पॉलीक्रिस्टलाइन हीरा व्यावसायिक रूप से अधिक उपलब्ध हो रहा है। इसके अतिरिक्त, हीरे की उच्च चालकता को धातु की लचीलापन और सीटीई मिलान के साथ संयोजित करने के लिए हीरा-मिश्रित ऊष्मा फैलाने वाले (उदाहरण के लिए, हीरा-तांबा या हीरा-चांदी मिश्रित) विकसित किए जा रहे हैं, हालांकि परिणामी चालकता (600-800 W/m·K) शुद्ध हीरे की तुलना में कम है।
निष्कर्ष
सीवीडी हीरा परम, बिना किसी समझौते के गर्मी फैलाने वाली सामग्री है, एक शानदार, थर्मल सुपर-प्रवाहकीय क्रिस्टल है जो सबसे अच्छी धातुओं को भी पीछे छोड़ देता है, जो सबसे विशिष्ट थर्मल प्रबंधन चुनौतियों के लिए आरक्षित है। 1000 W/m·K से अधिक तापीय चालकता के साथ {{2}और वाणिज्यिक ग्रेड में अक्सर 1200 W/m·K से अधिक होने पर CVD हीरा तीन या अधिक के कारक से तांबे को मात देता है। अपने अंतर्निहित विद्युत इन्सुलेशन के साथ संयुक्त होने पर, हीरा अतिरिक्त ढांकता हुआ परतों की आवश्यकता को समाप्त कर देता है जो धातु स्प्रेडर्स के प्रभावी प्रदर्शन को कम कर देता है। यद्यपि हीरे की लागत और भंगुर प्रकृति के लिए लेजर डायोड प्लेटिन में सावधानीपूर्वक एकीकरण की आवश्यकता होती है, जंक्शन तापमान में परिणामी कमी सीधे उच्च लेजर आउटपुट पावर, लंबे डिवाइस जीवनकाल और संकीर्ण तरंग दैर्ध्य नियंत्रण में तब्दील हो जाती है। भविष्य के सबसे गर्म, सबसे शक्तिशाली लेज़रों को शुद्ध, सिंथेटिक हीरे की एक प्लेट से ठंडा किया जाएगा।
